Koncepční model hydrogeochemických procesů v důlních odvalech workshop Environmentální dopady důlní činnosti projekt TESEUS www.teseus.org Liberec Zbyněk Vencelides vencelides.z@opv.cz
Koncepční model hydrogeochemických procesů v důlních odvalech Zbyněk Vencelides vencelides.z@opv.cz
Obsah Úvod do problematiky Koncepční model Výsledky numerických modelů reaktivního transportu 1D model 3D model Interpretace výsledků Závěry TESEUS Liberec 3
Úložná místa těžebních odpadů Zdroj: http:// mapy.geology.cz (ČGS) TESEUS Liberec 4
Úložné místo těžebních odpadů Ložisko nerostné suroviny = ekonomicky využitelná akumulace nerostu Většinou (v případě rud prakticky vždy) se jedná o geochemickou anomálii Užitkový nerost je zpravidla doprovázen celou řadou dalších složek v anomálních koncentracích Přemístění hlušiny na povrch zásadní změna geochemických podmínek Intenzívní (hydro)geochemické interakce Mobilizace potenciálně rizikových složek TESEUS Liberec 5
Příklad Kuntery (Kaňk) Úložné místo odpadů po středověké těžbě stříbrných rud (13. 16. století) Vysoký obsah minerálů s obsahem arsenu TESEUS Liberec 6
Vybrané výsledky průzkumů Parametr 0017-HJ1-3,88v 0017-HJ2-1,71v 0017-HJ3-5,78v Parametr 0017-HJ1-3,88v 0017-HJ2-1,71v 0017-HJ3-5,78v (mg/l) (mg/l) Ag <0,0010 0,0068 0,0484 V <0,0010 <0,0010 0,468 As 0,0053 0,212 1440 Zn 23,0 9,02 465 Ba 0,0162 0,00496 0,0636 Ca 630 575 447 Be 0,00052 0,00141 0,0188 Fe 0,273 2,39 7790 Cd 0,236 0,0669 4,77 K 4,87 0,851 43,8 Co 0,0376 0,0173 0,969 Mg 79,4 9,27 115 Cr <0,0010 0,0026 0,468 Mn 1,88 0,621 14,0 Cu 3,59 1,68 408 Na 13,4 28,1 16,5 Hg <0,00001 0,336 0,071 ph 6,50 3,10 1,43 Ni 0,179 0,0598 1,64 Amonné ionty 0,202 0,313 --- Pb <0,0050 <0,0050 1,25 Chloridy 18,5 14,9 19,8 Sb <0,010 0,012 0,953 Dusičnany 32,4 8,78 42,7 Se <0,010 <0,010 0,054 Fluoridy 0,346 0,279 11,2 Sn <0,010 <0,010 15,9 Sírany 2-1680 1250 25700 Te <0,010 <0,010 1,20 HCO 3-43.4 0 0 Tl <0,010 <0,010 <0,010 RL suš. (105 C) 2560 1980 46000 TESEUS Liberec 7
Koncepční model Zjednodušený popis dané lokality (geochemického systému), zaměřený na identifikaci hlavních faktorů a procesů určujících chování celého systému, zahrnující: Fyzikální (transportní) procesy Advekce, disperze, difúze Chemické procesy Oxidace/redukce Acidobazické procesy Srážení/rozpouštění fází TESEUS Liberec 8
Koncepční model Fyzikální a chemické procesy: I. Infiltrace srážek II. Oxidace sulfidů, rozpouštění karbonátů, tvorba výluhů I. III. Transport a interakce v saturované zóně II. HPV III. Směr proudění podzemní vody TESEUS Liberec 9
Přístup k řešení Syntéza mineralogických a hydrogeochemických dat Využití nástrojů hydrogeochemického modelování Interpretace probíhajících dějů Inverzní modelování Modelování scénářů Kombinace modelů reaktivního transportu v nesaturované a saturované zóně 1D model nesaturované zóny 3D model saturované zóny TESEUS Liberec 10
Hlavní proces - oxidace pyritu Úplná oxidace FeS 2 + 15 4 O 2 + 7 2 H 2O Fe OH 3 (s) + 2 SO 4 2 + 4 H + Částečná oxidace FeS 2 + 7 2 O 2 + H 2 O Fe 2+ (aq) + 2 SO 4 2 + 2 H + Oxidace při ph <2,5 Recyklace Fe FeS 2 + 14 Fe 3+ + 8 H 2 O 15 Fe 2+ + 2 SO 4 2 + 16 H + Fe 2+ + 1 4 O 2 + H + Fe 3+ + 1 2 H 2O TESEUS Liberec 11
Kinetika oxidace Pyrit kyslíkem Pyrit železitým iontem za přítomnosti kyslíku Pyrit železitým iontem bez přítomnosti kyslíku Arsenopyrit r O2 = 10 8.19 m O2 0.5 0.11 m H+ r Fe,O2 = 6.3 10 4 m 0.92 Fe3+ (1 + m Fe2+ 10 6 ) 0.43 r Fe3+ = 1.9 10 6 0.28 m Fe3+ 1 + m Fe2+ 10 6 r = 10 7.41 m O2 TESEUS Liberec 12 0.76 0.12 m H+ 0.52 0.3 m H+
Oxidace pyritu - kinetika TESEUS Liberec 13
Hlavní faktory Určujícími faktory jsou: Množství pyritu v hlušině Množství karbonátů (kalcitu) jako pufru ph Dostupnost kyslíku pro oxidaci pyritu Dotace pouze rozpuštěného kyslíku v prosakující vodě je nedostačuje pro nastartování rychlé kinetiky oxidace -> v saturované zóně rychlá kinetika nepravděpodobná Nutný přísun kyslíku v plynné fázi Další faktory Intenzita promývání vodou Odstraňování reakčních produktů Tvorba sekundárních minerálů TESEUS Liberec 14
Validace koncepčního modelu Fáze Složení Typ Reakce M0 [mol/l PP*] Goethit FeOOH p/s eq 0.002 Skorodit FeAsO4.2 H2O s eq 0 Jarosit K KFe3(SO4).2(OH)6 s eq 0 Sádrovec CaSO4.2 H2O S eq 0 SiO2(am) SiO2 p/s eq 1 Pyrit FeS2 p kin 2,8 Arsenopyrit FeAsS p kin 0,8 Kaolinit Al2Si2O5(OH)4 p/s kin 1.27 K-živec KAlSi3O8 p kin 1.44 Ca-živec CaAl2Si2O8 p kin 1.58 TESEUS Liberec 15
Výsledky 1D modelu Přítok a odtok vody do/z nesaturované zóny haldy (mocnost 5 m) Actual Surface Flux Povrch profilu Bottom Flux Báze profilu 0.003 0.0000 0.002 odpar -0.0005 0.001 0.000-0.0010-0.001-0.0015 průsak -0.002-0.003-0.0020-0.004 průsak -0.0025-0.005-0.0030 0 20000 40000 60000 80000 0 20000 40000 60000 80000 Time [days] Time [days] TESEUS Liberec 16
Výsledky 1D modelu ph TESEUS Liberec 17
Výsledky 1D modelu Sírany TESEUS Liberec 18
Výsledky 1D modelu Železo TESEUS Liberec 19
Výsledky 1D modelu Pyrit TESEUS Liberec 20
Výsledky 1D modelu Goethit TESEUS Liberec 21
Výsledky 1D modelu Arsen TESEUS Liberec 22
Výsledky 1D modelu Skorodit TESEUS Liberec 23
Výsledky 1D modelu V případě dostatečné neutralizační kapacity, nebo omezeného přísunu kyslíku, je rychlejší oxidaci arsenopyritu Možné srážení skoroditu, sekundárních amorfních sulfidů železa, nebo mackinawitu Při dostatečném sycení reakčního systému kyslíkem a naopak nízké neutralizační kapacitě materiálu UM dojde k uplatnění rychlé reakční cesty oxidace pyritu. Kyslík preferenčně spotřebován na recyklaci železa a oxidace arsenopyritu pomalá Na srážení sekundárních minerálů v tělese UM má významný vliv intenzita promývání tělesa srážkovou vodou a periodické zakoncentrování pórových roztoků v přípovrchové zóně evaporací vody v letních obdobích. TESEUS Liberec 24
3D model Sestaven pro oblast mělkého kvartérního kolektoru, od haldy Kuntery ve směru proudění podzemní vody k severozápadu Simulovaná doba 400 let TESEUS Liberec 25
Výsledky 3D modelu ph (100 a 400 let) TESEUS Liberec 26
Výsledky 3D modelu Sírany (100 a 400 let) TESEUS Liberec 27
Výsledky 3D modelu Železo (100 a 400 let) TESEUS Liberec 28
Výsledky 3D modelu Goethit (100 a 400 let) TESEUS Liberec 29
Výsledky 3D modelu Arsen (100 a 400 let) TESEUS Liberec 30
Výsledky 3D modelu Arsen(V) HfO komplex (100 a 400 let) TESEUS Liberec 31
Výsledky 3D modelu Sádrovec (100 a 400 let) TESEUS Liberec 32
Výsledky 3D modelu V saturované zóně dochází k uplatnění procesů přirozené atenuace: Neutralizace průsaků inkongruentním rozpouštěním silikátů Srážení sekundárních jílových minerálů Pravděpodobné srážení sádrovce Mísení s oxidovanou pozaďovou vodou Oxidace Fe(II) a srážení HFO potenciál pro imobilizaci TK TESEUS Liberec 33
Interpretace výsledků Hlavním faktorem, řídícím geochemické procesy, je obsah sulfidických minerálů (pyritu) ve vztahu k obsah karbonátů v uloženém materiálu a dostupnost kyslíku V nesaturované zóně je dostupný plynný kyslík předpoklad pro uplatnění rychlé cesty oxidace pyritu, intenzívní tvorbu AMD a mobilizaci těžkých kovů V saturované zóně pouze rozpuštěný kyslík pravděpodobná pomalá oxidace pyritu, případně preferenční oxidace dalších sulfidů TESEUS Liberec 34
Interpretace výsledků Dostupnost kyslíku je závislá například i na propustnosti a stupni saturace povrchové krycí vrstvy OUM vodou. Za přítomnosti materiálů s vysokým zastoupením jemných kapilárních pórů může být transport kyslíku do tělesa OUM významným způsobem omezen. I v případě dostatečné neutralizační kapacity odpadů (nadbytek karbonátů) je možná mobilizace některých rizikových složek (uran) TESEUS Liberec 35
Závěry Pro úložná místa těžebních odpadů lze sestavit koncepční model, popisující hlavní procesy a faktory, které jsou určující z hlediska probíhajících procesů a rizika uvolňování potenciálně nebezpečných složek do okolního prostředí Schopnost identifikovat a kvantifikovat tyto procesy a faktory je klíčová pro posuzování rizik, která OÚM může představovat pro svoje okolí TESEUS Liberec 36
Děkuji za pozornost TESEUS Liberec 37